專利名稱：一種磁共振測溫的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁共振成像技術領域，特別是涉及一種磁共振測溫的 方法和裝置。
背景技術：
目前，激光、微波、射頻和高強度聚焦超聲等高溫熱療技術在腫 瘤的完全無損治療領域受到了廣泛關注，現(xiàn)已應用于子宮肌瘤，肝癌、 乳腺癌等的研究。在熱療過程當中，需對腫瘤及周邊組織進行實時溫 度監(jiān)控并及時調(diào)整加熱方案，保證在盡可能殺死腫瘤的同時使鄰近健 康組織受到的熱損傷最小。完全非入侵的磁共振技術能夠進行準確的 溫度測量，同時還可提供手術定位所需的高分辨解剖圖像。由于擁有 良好的溫度靈敏度、線性及組織無關性，水質(zhì)子共振頻率偏移是目前 最有效的磁共振測溫參數(shù)。
基于水質(zhì)子共振頻率偏移進行溫度測量的方法分為兩類 一種方 法是相位相減法，利用梯度回波序列和參考圖獲取相對溫度變化信 息，但其測溫準確性受到人體脂肪成分、組織運動和形變及主磁場漂 移等因素的影響。臨床應用通常需要釆用壓脂、門控或?qū)Ш交夭ǖ燃?術解決其中部分問題。新出現(xiàn)的無參考圖法在一定程度上解決運動和 場漂的影響，但它對溫度變化區(qū)域有所限制，同時仍受脂肪的影響。
另 一種方法是利用人體內(nèi)共振頻率不隨溫度變化的成份作為內(nèi) 在參照物，如磁共振波譜法或波譜成像法，可以有效地解決相位相減 法的各種問題并測量絕對溫度，但其空間和時間分辨率很低，尚無法 滿足臨床實時測溫和定位的需要。在此類方法中，通常需要分離水和 脂肪信號，但常用的壓脂、壓水序列受磁場不均勻性影響較大，很難 達到均勻一致的壓脂、壓水效果，因此阻礙了磁共振測溫在臨床上的
5進一步應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例要解決的問題是提供 一種磁共振測溫的方法和裝 置，可以減輕運動、形變、場漂、脂肪等因素對測溫準確度的影響。 為達到上述目的，本發(fā)明實施例的技術方案提供一種磁共振測溫
方法，所述方法包括以下步驟
51. 建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模型；
52. 在熱療過程中使用多回波梯度回波序列進行圖像釆集；
53. 利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在首次熱療或預掃描 階段進行實際溫度測量；
54. 根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合， 獲取水和油的質(zhì)子密度P,、初始相位《、橫向弛豫率《,和掃描儀解 調(diào)后的共振頻率乂；
55. 根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率/,^和/加，獲取油水化學位
56. 根據(jù)所述油水化學位移^。-w和首次熱療或預掃描階段得 到的實測溫度值，獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)卩；
57. 根據(jù)所述油水化學位移&。爿。溫度系數(shù)a和系數(shù)P,獲取 整個熱療過程中的絕對溫度T。
其中，在步驟S1中，所述溫度模型由公式
"。=Z /^V乂""仏+m;(")
確定，其中s(U是釆得的磁共振信號，p,是水和油的質(zhì)子密度，A是 初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率，W")是 復高斯白噪聲，r^0,l,2,…N-l，N為單次測溫所需圖像數(shù)。 其中，在步驟S4中，根據(jù)公式
傘)=Z pe;《,e;W+2兀/;:ra;。)e"力2;r/;)a:re"釆用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合，其中^。是首個回波時間，AT^ 是回波間隔，S(")是釆得的磁共振信號，P,是水和油的質(zhì)子密度，《 是初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率， n=0，l，2，...N-l, N為單次測溫所需圖像數(shù)。
其中，當釆集的回波時間^任意時，根據(jù)公式
w-1
p S
釆用非線性最小二乘算法對未知參數(shù)集p-(p,，K,v;)u^o進行
參數(shù)估計，s(o是采得的磁共振信號，A是水和油的質(zhì)子密度，《是
初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率，
n二0,l,2，…N-l，N為單次測溫所需圖像數(shù)。 其中，在步驟S5中，根據(jù)公式
病
獲取油水化學位移，其中^。-^是油水化學位移，/，^是水的共振 頻率，//。,是脂肪質(zhì)子的共振頻率，f是氫質(zhì)子旋磁比，A是主磁場 場強。
其中，在步驟S6中，根據(jù)公式
獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)p,其中、。-w是油水化學位移，L是首次熱 療或預掃描階段得到的實測溫度值。 其中，在步驟S7中，根據(jù)公式
T = ?！狢T2 ■ 〃
獲取整個熱療過程中的絕對溫度T，其中^。-^是油水化學位移，a 是溫度系數(shù)，P是系數(shù)。
其中，在步驟S1之后，還包括使用CRLB噪聲模型對得到的參數(shù)進行優(yōu)化，具體為根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
進行參數(shù)優(yōu)化，其中":是關于T的方差，(x是溫度系數(shù)，f是氫質(zhì) 子旋磁比，A是主磁場場強，[Fp"是所述溫度模型的Fisher信息矩 陣的逆矩陣。
本發(fā)明實施例的技術方案還提供一種磁共振測溫的裝置，所述裝 置包括
溫度模型建立單元，用于建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模
型；
圖像釆集單元，用于在熱療過程中使用多回波梯度回波序列進行
圖像采集；
實際溫度測量單元，用于利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在
首次熱療或預掃描階段進行實際溫度測量；
共振頻率獲取單元，用于根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算 法對數(shù)據(jù)進行擬合，獲取水和油的質(zhì)子密度A 、初始相位《、橫向
弛豫率《,和掃描儀解調(diào)后的共振頻率y;;
油水化學位移獲取單元，用于根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率
/，^和/加，獲取油水化學位移&2。- /2;
系數(shù)獲取單元，用于根據(jù)所述油水化學位移&。-c^和首次熱療或
預掃描階段得到的實測溫度值，獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)p;
絕對溫度獲取單元，用于根據(jù)所述油水化學位移&?！狾T2、溫度系 數(shù)a和系數(shù)P，獲取整個熱療過程中的絕對溫度T。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有如下優(yōu)點 本發(fā)明基于一個磁共振溫度模型，釆用多回波梯度回波序列和非 迭代參數(shù)估計算法進行數(shù)據(jù)采集和頻率估計，并建立Cramer-Rao下 限噪聲模型進行參數(shù)分析和優(yōu)化，使得本發(fā)明同時具備相位相減法和 波譜法的優(yōu)點，能夠快速獲取高分辨率的絕對溫度圖像，并大幅減輕運動形變、場漂、脂肪等因素對測溫準確度的影響。


圖i是本發(fā)明實施例的 一 種磁共振測溫的方法的流程圖2是本發(fā)明實施例的兩種算法的計算精度與Cmmer-Rao下限的
蒙特卡羅模擬比較結(jié)果圖3是本發(fā)明實施例的 一種系數(shù)標定時的油水化學位移和實測絕 對溫度關系圖4是本發(fā)明實施例的一種熱電偶測量和擴展Prony算法獲得的
絕對溫度走勢圖5是本發(fā)明實施例的一種利用奶油仿體進行的模擬運動實驗結(jié)
果圖6是本發(fā)明實施例的一種利用奶油仿體進行的模擬場漂實驗結(jié)果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明實施例的 一 種磁共振測溫的方法的流程如圖1所示，包括
以下步驟
步驟sl01，建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模型。假設成像目 標體素內(nèi)含有脂肪和水兩種成分，在不同的回波時間點, (『0，1,2，...N-1，N為單次測溫所需圖像數(shù))釆集信號
《)=Z p/v-《"w"+w(") (1)
其中，力")是采得的磁共振信號，《,，/分別是水和油的 質(zhì)子密度(包含縱向弛豫時間和成像參數(shù)等因素)、初始相位(由于 B!場不均勻性等因素引起)、橫向弛豫率(《,=l/ t )以及掃描儀解 調(diào)后的共振頻率，該8個參數(shù)均未知，組成了待估計的未知參數(shù)集
9P-(P,K/)L^,/。,。 w(")是復高斯白噪聲，實部與虛部獨立同分布且 均值為O,方差為cr2。
步驟S102，在熱療過程中使用多回波梯度回波序列(8~12回波)
進行圖像釆集，選擇使用CRLB噪聲模型優(yōu)化得到的回波間隔時間等 參數(shù)。下面對所述CRLB噪聲模型進行具體說明在前述溫度模型中， 多種因素會影響最后溫度測量的誤差，如圖像信噪比、回波數(shù)、回波 時間、油水比例及所釆用的算法等。我們建立Cramer-Rao下限(CRLB )
噪聲模型以評估不同因素和算法的影響。 溫度模型的Fisher信息矩陣為y = -￡[
51n/(s;p)，— 1
AM
一A
]=3
3p乂 &
其中，/(s;P)是聯(lián)合概率密度函數(shù):
(2)
/(s;P)=
2;rcr
exp
i w—i
-^T漢-《)2+(")2
(3)
其中s是釆樣得到的實際信號，p是未知參數(shù)集, ，(《分別
是釆樣值和模型假設Z " —《^"'的實部和虛部。
利用絕對溫度T和油水頻率間的線性關系，并將T看成P的函數(shù)， 則可以得到關于T的CRLB:
<formula>formula see original document page 10</formula>
經(jīng)過推導，可以得到
(5)
利用(5)式可以分析不同因素和算法對測量溫度的影響并進行 參數(shù)優(yōu)化。
步驟sl03,利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在首次熱療或預 掃描階段進行實際溫度測量。步驟sl04，根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行 擬合，獲取水和油的質(zhì)子密度P,.、初始相位-、橫向弛豫率《,和掃 描儀解調(diào)后的共振頻率乂。為了提高參數(shù)估計的速度，我們首先在磁 共振測溫領域引入了擴展Prony非迭代算法。此時需要釆用等回波間
隔的多回波梯度回波序列序列進行圖像釆集，序列回波時間為 r^-ra。+"A7^,則(1)式可表示為
其中^。是首個回波時間，A ra是回波間隔。(6 )式符合擴展Prony 算法的信號表達，可以通過對模型表達式的線性化轉(zhuǎn)變?yōu)樽曰貧w (AR:autoregressive )模型，并求解未知參數(shù)集(A,》，/，《,)。
為了使該方法具有普遍適用性，即當釆集的回波時間t任意時， 可以釆用非線性最小二乘迭代法，即解決下述最優(yōu)化問題
(7)
其中，P是未知參數(shù)集。該問題的求解可釆用最大似然Levenberg Marquardt算法，在高信噪比情況下它具有相比擴展Prony算法更高 的準確度。
步驟s105,根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率/,^和/,，獲取油 水化學位移&。-w 。其中油水化學位移及水質(zhì)子共振頻率隨溫度變化 的線性關系，水和脂肪質(zhì)子的共振頻率分別為
/鵬敏=一0(7—U評 ，、
其中，子是氫質(zhì)子旋磁比，A是主磁場場強，T為溫度，參考溫 度^是掃描儀解調(diào)頻率對應的水質(zhì)子溫度。A,^是參考溫度7;,時油 水間化學位移(ppm,百萬分之一)，a是溫度系數(shù)(ppm/°C), ^是 該像素點處的主磁場不均勻性。
根據(jù)公式
ii<formula>formula see original document page 12</formula>
獲取油水化學位移，其中&。-w是油水化學位移，/,ter是水的 共振頻率，//w是脂肪質(zhì)子的共振頻率，f是氫質(zhì)子旋磁比，A)是主
磁場場強。
步驟Sl06，根據(jù)所述油水化學位移&。- 和首次熱療或預掃描階
段得到的實測溫度值，獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)(3。本實施例中，根據(jù) 公式
<formula>formula see original document page 12</formula>
獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)P,其中^。-^是油水化學位移，Ts是實測溫 度值。
步驟sl07，根據(jù)所述油水化學位移^。-^ 、溫度系數(shù)a和系數(shù)卩， 獲取絕對溫度T，同時可獲得油水質(zhì)子密度分離像(A )和二者的橫 向弛豫時間分布本實施例中，根據(jù)公式
獲取整個熱療過程中的絕對溫度T，其中^。-^是油水化學位移，a 是溫度系數(shù)，卩是系數(shù)。在(ll)式中溫度和化學位移間呈線性關系， 在一定溫度范圍內(nèi)成立。其中系數(shù)a為溫度系數(shù)以，系數(shù)(3為O度時 的化學位移，需要在步驟s106中利用實際測溫結(jié)果標定得到。本模 型無需預先假設A/^和a的值，提高了結(jié)果的準確性。若不進行標定, 則可以根據(jù)系數(shù)的經(jīng)驗值獲取相對溫度變化。這樣，只要在一個溫度 點采集的圖像足夠多(N>4),則可利用不同的參數(shù)估計算法求解未 知參數(shù)集(P,，^/，《,)。
本發(fā)明利用油質(zhì)子共振頻率的溫度不變性作為內(nèi)部參照物得到 了絕對溫度T，由于無需參照圖像，則不存在組織運動及形變造成的圖像間配準誤差，而油質(zhì)子本身作為參照物也就不會造成干擾，同時 (9)式中的油水頻率相減去掉了場漂的影響。
圖2是本發(fā)明實施例的兩種算法的計算精度與Cramer-Rao下限 ((5)式)的蒙特卡羅模擬比較結(jié)果圖，根據(jù)該圖可以看出，擴展Prony 算法在高信噪比情況下精度能夠滿足要求，在低信噪比情況下更加穩(wěn)定。
本發(fā)明實施例在利用新方法進行奶油仿體(脂肪含量50%左右)
的測溫實驗時，系數(shù)標定時的油水化學位移和實測絕對溫度關系如圖 3所示，線性回歸得到的直線關系為^2。_ /2=-0.010217>3.80284,相關
系數(shù)r為0.998;熱電偶測量和擴展Prony算法獲得的絕對溫度走勢如圖
4所示，擴展Prony算法溫度估計值的最大誤差和標準差分別為0.614
。C和0.06°C,驗證了所釆用的新模型和參數(shù)估計算法的準確性和穩(wěn)定性。
本發(fā)明實施例的一種利用奶油仿體進行的模擬運動實驗結(jié)果如 圖5所示，在各個溫度點測量間隙手動移動仿體，圖中顯示了熱電偶 測量、相位相減法以及本新方法得到的溫度變化走勢圖。說明新方法 受運動的影響較小。
本發(fā)明實施例的 一 種利用奶油仿體進行的模擬場漂實驗結(jié)果如 圖6所示，在各個溫度點測量間隙改變小鐵條在仿體周圍的位置，圖 中顯示了熱電偶測量、相位相減法以及本新方法得到的溫度變化走勢 圖。說明新方法受場漂的影響較小。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領 域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、一種磁共振測溫方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟S1. 建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模型；S2. 在熱療過程中使用多回波梯度回波序列進行圖像采集；S3. 利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在首次熱療或預掃描階段進行實際溫度測量；S4. 根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合，獲取水和油的質(zhì)子密度ρi、初始相位φi、橫向弛豫率和掃描儀解調(diào)后的共振頻率fi；S5. 根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率fwater和ffat，獲取油水化學位移S6. 根據(jù)首次熱療或預掃描階段得到的油水化學位移和實測溫度值，獲取溫度系數(shù)α和系數(shù)β；S7. 根據(jù)所述油水化學位移溫度系數(shù)α和系數(shù)β，獲取整個熱療過程中的絕對溫度T。
2、 如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟 SI中，所述溫度模型由公式確定，其中s(u是釆得的磁共振信號，p,是水和油的質(zhì)子密度，《是 初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率，w(")是復高斯白噪聲，n=0，l,2，...N-l， N為單次測溫所需圖像數(shù)。
3、 如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟 S4中，根據(jù)公式咖)=Z pe-，;,？.W+2^;:re。)e(-《力.2;r/,)A:r五"利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合，其中？^。是首個回波時間，AT^ 是回波間隔，S(")是釆得的磁共振信號，A是水和油的質(zhì)子密度，《是初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率，『0,1，2,…N-1，N為單次測溫所需圖像數(shù)。
4、如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，當釆集的回波時間4任意時，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 3</formula>釆用非線性最小二乘算法對未知參數(shù)集P-(A,A，《』)Uv"0,進行參數(shù)估計，"U是采得的磁共振信號，P,是水和油的質(zhì)子密度，《是初始相位，《,是橫向弛豫率，/是掃描儀解調(diào)后的共振頻率，!^0,1,2，…N-1,N為單次測溫所需圖像數(shù)。
5、 如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟S5中，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 3</formula>獲取油水化學位移，其中^。-^是油水化學位移，/,^是水的共振頻率，//。,是脂肪質(zhì)子的共振頻率，f是氫質(zhì)子旋磁比，禮是主磁場場強。
6、 如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟S6中，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 3</formula>獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)p，其中、。爿2是油水化學位移，Ts是首次熱療或預掃描階段得到的實測溫度值。
7、 如權利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟S7中，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 3</formula>獲取絕對溫度T，其中、。-^是油水化學位移，a是溫度系數(shù)，卩是系數(shù)。
8 如權 利要求1所述的磁共振測溫方法，其特征在于，在步驟Sl之后，還包括使用CRLB噪聲模型對得到的參數(shù)進行優(yōu)化，具體為根據(jù)公式 子^ ([Fpl ]4'4+[Fp' ]"—2[Fp 1 ]4'8)進行參數(shù)優(yōu)化，其中^^是關于溫度T的方差，a是溫度系數(shù)，*是氫質(zhì)子旋磁比，A是主磁場場強，[F,]是所述溫度模型的Fisher信息矩陣的逆矩陣。
9、 一種磁共振測溫的裝置，其特征在于，所述裝置包括溫度模型建立單元，用于建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模型；圖像釆集單元，用于在熱療過程中使用多回波梯度回波序列進行圖像釆集；實際溫度測量單元，用于利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在首次熱療或預掃描階段進行實際溫度測量；共振頻率獲取單元，用于根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合，獲取水和油的質(zhì)子密度戶,、初始相位《、橫向弛豫率《,和掃描儀解調(diào)后的共振頻率,；油水化學位移獲取單元，用于根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率/而妙和//^ ，獲取油水化學位移&2。2;系數(shù)獲取單元，用于根據(jù)所述油水化學位移&?！狢T2和首次熱療或預掃描階段得到的實測溫度值，獲取溫度系數(shù)a和系數(shù)卩；絕對溫度獲取單元，用于根據(jù)所述油水化學位移^,。-w、溫度系數(shù)a和系數(shù)p，獲取整個熱療過程中的絕對溫度T。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁共振測溫方法，包括建立以脂肪為參照物的磁共振溫度模型；在熱療過程中使用多回波梯度回波序列進行圖像采集；利用磁共振兼容的熱電偶或熱敏光纖在首次熱療或預掃描階段進行實際溫度測量用以標定；根據(jù)所述溫度模型，利用擴展Prony算法對數(shù)據(jù)進行擬合，獲取水和油的質(zhì)子密度、初始相位、橫向弛豫率和掃描儀解調(diào)后的共振頻率；根據(jù)水和脂肪質(zhì)子的共振頻率，獲取油水化學位移；根據(jù)所述油水化學位移和實測溫度值，獲取溫度系數(shù)α和系數(shù)β；根據(jù)所述油水化學位移、溫度系數(shù)α和系數(shù)β，獲取絕對溫度。本發(fā)明還公開了一種磁共振測溫的裝置。本發(fā)明能夠快速獲取高分辨率的絕對溫度圖像，并大幅減輕運動、形變、場漂、脂肪等因素對測溫準確度的影響。
文檔編號A61B5/01GK101507603SQ200910001229
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月4日 優(yōu)先權日2008年10月14日
發(fā)明者葵 應, 誠 李, 潘昕懌, 白逸軒 申請人:清華大學;西門子邁迪特(深圳)磁共振有限公司